Het zeer instabiele radioactieve element promethium is uiterst moeilijk te bestuderen in het lab. Nu hebben scheikundigen het element zover gekregen dat het een verbinding vormt in water. Hierdoor kunnen ze het voorheen obscure bindingsgedrag eindelijk observeren.
Dankzij een nieuwe chemische verbinding heeft een van de zeldzaamste elementen ter wereld, promethium, voor het eerst een paar van zijn mysterieuze eigenschappen onthuld. Chemici publiceerden dit in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Inherent instabiel
Promethium komt van nature slechts in minuscule hoeveelheden voor – de aardkorst bevat slechts een halve kilogram van het element. In 1945 produceerden onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten het element als bijproduct van het plutoniumverrijkingsprogramma van het Manhattan Project voor de ontwikkeling van de atoombom. Vanwege de nucleaire oorsprong werd het element vernoemd naar de Griekse titaan Prometheus, die het vuur van de goden stal en het naar de mensen bracht.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Tegenwoordig is het maken van promethium routinewerk, al gaat het wel om kleine hoeveelheden. Het ontstaat uit het radioactieve verval van uranium, en wordt gebruikt in bepaalde toepassingen zoals nucleaire batterijen.
Maar door de extreem radioactieve aard van promethium is het element inherent instabiel, waardoor het moeilijk is om chemische verbindingen te vormen die lang genoeg bestaan om bestudeerd te kunnen worden. Daarnaast beïnvloeden de kristalstructuren waarin het element wel voorkomt de chemische bindingen van promethium, waardoor de fundamentele chemie van het element buiten een kristal niet te observeren is. Zo hadden onderzoekers nog niet weten te achterhalen hoe lang de atomaire bindingen zijn en hoe die zich vormen met andere verbindingen.
Binding in water
Nu hebben chemicus Alexander Ivanov van het Oak Ridge National Laboratory en zijn collega’s een manier gevonden om een promethiumverbinding in water te vormen. Dit dempt enkele van de schadelijke effecten van de radioactiviteit, en vermijdt de vertroebelende effecten van kristalstructuren. Hierdoor kon het team voor het eerst de chemie van het element in detail bestuderen.
Eerst maakten de onderzoekers de verbinding bispyrrolidine-diglycolamide (PyDGA). Dat bestaat uit moleculen die verbindingen vormen met elementen die lijken op promethium. Toen promethium werd toegevoegd aan dit molecuul in oplossing, vormde zich het chemische complex Pm-PyDGA. Dat bleek een felroze kleur te hebben door zijn elektronenstructuur.
Ivanov en zijn team vuurden vervolgens röntgenstralen af op de verbinding, en maten welke frequenties het absorbeerde. Hierdoor konden ze vaststellen hoe het promethium chemisch gebonden was. Zo bleek dat de bindingslengte tussen promethium en nabijgelegen zuurstofatomen ongeveer een kwart nanometer was. Dat kwam overeen met computersimulaties.
Roze radioactiviteit
‘Het is prachtige chemie en het is een waar genoegen om de delicate roze kleur van dit complex te zien’, zegt chemicus Andrea Sella van het University College London. Volgens Ivanov kan informatie over het bindingsgedrag van promethium helpen bij de aanmaak van zuiverder monsters van het element in grotere hoeveelheden. Ook kan het volgens hem worden gebruikt voor het ontwerpen van nieuwe medische verbindingen, die handig zijn voor radioactieve beeldvorming of kankerbehandeling. ‘Dit soort fundamentele informatie kan helpen om nieuwe technologieën te ontwikkelen’, zegt hij.
